Sammenfiltring betyr i kvantefysikken at to eller flere partikler er nært forbundet. Den nære forbindelsen er uavhengig av avstanden mellom partiklene. Det betyr at man ved å studere en av de sammenfiltrede partiklene sine kjennetegn kan få informasjon om alle andre partiklene selv om de skulle befinne seg så langt vekke fra hverandre. Fenomenet kan ha stor betydning for fremtidige sikre kommunikasjonssystemer og kvantedatamaskiner.
Hva er sammenfiltring?
Sammenfiltring av gjenstander vi kan se, for eksempel hyssingtråd, kan gjøre det vanskelig å skille trådstumpene fra hverandre hvis de har samme farge og tykkelse. Men det er alltid mulig å finne endene og separere hyssingene med litt arbeid. Kvantemekanisk sammenfiltring er langt sterkere. Når for eksempel to fotoner er sammenfiltret så er det prinsipielt umulig å separere dem. En kvantemekanisk sammenfiltring (engelsk: "entanglement") oppstår ved at to eller flere partikler vekselvirker eller blir til som en helhet, og ved at den hele størrelsen blir bevart (totalt spinn, energi m.m) for ettertiden. To fotoner kan oppstå i en sammenfiltret enhet for eksempel ved at ett foton vekselvirker med atomer og omdannes til to fotoner - hver med halvparten av det opprinnelige fotonets energi. De to nye fotonene er i prinsippet sammenfiltret uansett hvor langt vekke fra hverandre de har reist. Men i praksis vil hvert foton etter hvert som de påvirkes av sine forskjellige omgivelser langt vekke fra hverandre få den opprinnelige sammenfiltringen utvisket. Men det kan ta så lang tid at fotonene har tid til å flytte seg flere 100 kilometer vekk fra hverandre.
For å forstå sammenfiltring kan vi nå tenke på de to fotonene som to kuler med hver sin farge (rød eller blå) og disse legges i hver sin koffert som reiser fra hverandre med lyshastigheten. Vår erfaring sier oss nå at i den ene kofferten er den røde kulen og i den andre er den blå. I det vi åpner den ene kofferten og skjekker fargen så vet vi straks fargen på den ballen i den andre kofferten uansett hvor langt vekke koffertene har kommet. Men kvantemekaniske kuler er annerledes: I hver koffert ligger det en kule som kan være både rød og blå, de to fargene er blandet i hver koffert. For å vise dette kan man sette opp et eksperiment som måler om ballen en rødblå, rød på nordlig halvkule og blå på sydlige eller omvendt (blårød). Hvis man gjør denne observasjonen i den ene kofferten så vil man registrere en rødblå kule i halvparten av tilfellene. Sammenfiltringen viser seg ved at en samtidig undersøkelse av den andre kofferten alltid gir motsatt resultat. Er den ene observasjonen rødblå så er den andre blårød og omvendt.
Hvordan kan slike målinger alltid gi motsatte kombinasjoner? Det lar seg bare ikke forklare uten kvantefysikk og derfor regnes sammenfiltring som ett helt unikt kvantefenomen.
Historikk
Sammenfiltring har vært en viktig del av kvantemekanikken siden 1930 tallet. Schrödinger og Bohr anså sammenfiltring som en spesiell korrelasjon mellom partiklene som vi måtte akseptere. Men Einstein så på det som et stort problem fordi det etter hans mening måtte innebære at den partikkelen som ble målt måtte sende et signal til den andre om å innstille seg i riktig tilstand, og dette signalet kunne umulig gå fortere enn lyshastigheten og "fortelle" den andre partikkelen hvordan den skal innstille seg.
I 1935 skrev Einstein sammen med kollegene Boris Podolsky and Nathan Rosen en artikkel med tittelen "Can Quantum-Mechanical Description of Physical Reality Be Considered Complete?". Den ble kjent som et angrep på kvantemekanikken og problemet ble omtalt som EPR-paradokset (forkortelse for Einstein, Podolsky og Rosen). Paradokset er formulert som et tankeeksperiment med to sammenfiltrede partikler som undersøkes samtidig etter at de har kommet langt nok vekk fra hverandre.
Men siden 1970 tallet har utviklingen av teknologi gjort det mulig å gjennomføre slike eksperimenter i virkeligheten. De to kulene over kan i virkeligheten to fotoner med motsatt polarisasjon og undersøkelsen er kjent som Aspect-eksperimentet, utført i 1981-1982. Siden er det utført mange eksperimenter på forskjellige kvantemekaniske sammenfiltringer og så langt har de alltid kommet ut i kvantefysikkens favør og i Einstein og kollegaers disfavør. Derfor anses kvantemekanisk sammenfiltring som et godt etablert fenomen i dag.
Et lite utvalg av eksperimenter som har dokumentert sammenfiltring er:
Mellom to fotoner, se Aspect-eksperimentet
Mellom et foton og et atom, se rydbergatomer
Mellom ioner fanget i elektromagnetiske felter, se ionefelle.
Det har etter hvert blitt mulig å påvise sammenfiltring mellom fotoner som har flyttet seg langt vekk fra hverandre. I 2011 registrerte Anton Zeilinger sin forskningsgruppe sammenfiltrede fotoner samtidig mellom to øyer (Kanari øyene La Palma og Tenerife) i en avstand på 143 km mellom observasjonspunktene. 16 august i 2016 ble en kinesisk satellitt skutt opp som inneholder en kilde som kan sende ut sammenfiltrede fotoner. Et mål med dette prosjektet er å demonstrere at sammenfiltrede fotoner kan brukes til sikker kommunikasjon i rommet og mellom rommet og Jorden.